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It can carry goods, sort materials and do heavy works instead of the human being. It also can realize mechanization and automation of the production, do the jobs in harmful environment to protect the personal safety. So it is widely used in metallurgy, machinery manufacturing, electronics, light industry and atomic energy etc. In this paper,by reviewing the developmental status of the manipulator in recent years, combining the design of manipulator and systematic analyzing technology of the manipulator, We proposed the design scheme that the manipulator was driven by the pneumatic and the system was controlled by PLC. Integrative idea was adopted in this design to fully consider the characteristics of the software and hardware and complementary optimization. We analyzed and designed the overall structure, the implementation of structural, driving system and control system of the manipulator. We used pneumatic-driven in the driving system, PLC control unit in the control system to complete initialization of the system, manipulator's moving, failure alarm and so on. Finally we put forward a control strategy which is simple, easy to realize, and clear theoretical significance. Through the work above, a practical, economical, high-reliability sorting material manipulator was designed, which also had certain reference value for the other types of economical PLC control system design. Key words: manipulator ；pneumatic-driven； programmable logic controller (PLC)； automatic control；sorting materials 貴州大學本科畢業(yè)論文（設計） 第 45 頁 第一章 前言 1.1 研究的目的及意義 機械手作為前沿的產品應自動化設備更新時的需要，可以大量代替單調往復或高精度需求的工作，在先進制造領域中扮演著極其重要的角色。它可以搬運貨物、分揀物品、代替人的繁重勞動?？梢詫崿F(xiàn)生產的機械化和自動化，能在高溫、腐蝕及有毒氣體等環(huán)境下操作以保護人身安全，可以廣泛應用于機械制造、冶金、電子、輕工業(yè)和原子能等部門。 隨著工業(yè)的高速發(fā)展，機械手作為前沿的產品應自動化設備更新時的需要，已經在工業(yè)生產中得到了廣泛的應用。它可以搬運貨物、分揀物品、用以代替人的繁重及單調勞動，實現(xiàn)生產的機械化和自動化；并能在高溫、腐蝕及有毒氣體等有害環(huán)境下操作以保護人身安全，被廣泛應用于機械制造、冶金、電子、輕工業(yè)和原子能等部門。 可編程控制器(PLC)是以中央處理器為核心，綜合了計算機和自動控制等先進技術，具有可靠性高、功能完善、組合靈活、編程簡單、功耗低等優(yōu)點，已成為目前在機械手控制系統(tǒng)中使用最多的控制方式。使用PLC的自動控制系統(tǒng)具有體積小，可靠高，故障率低，動作精度高等優(yōu)點。 適應工業(yè)需要，本課題試圖開發(fā)PLC對物料分揀機械手的控制，并借助必要的精密傳感器，使其能夠對不同顏色的物料按預先設定的程序進行分揀，動作靈活多樣，適用于可變換生產品種的中小批量自動化生產，廣泛應用于柔性生產線。采用PLC控制，是一種預先設定的程序進行物料分揀的自動化裝置，可部分代替人工在高溫和危險的作業(yè)區(qū)進行單調持久的作業(yè)，并且在產品變化或臨時需要對機械手進行新的分配任務時，可以允許方便的改動或重新設計其新部件，而對于位置改變時，只要重新編程，并能很快地投產，降低安裝和轉換工作的費用。本設計主要完成機械手的硬件部分與軟件部分設計。主要包括執(zhí)行系統(tǒng)、驅動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的設計。 1.2 機械手在國內外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 機械手最早應用在汽車制造工業(yè)，常用于焊接、噴漆、上下料和搬運。機械手延伸和擴大了人的手足和大腦功能，它可替代人從事危險、有害、有毒、低溫和高熱等惡劣環(huán)境中的工作；代替人完成繁重、單調重復勞動，提高勞動生產率，保證產品質量。目前主要應用于制造業(yè)中，特別是電器制造、汽車制造、塑料加工、通用機械制造及金屬加工等工業(yè)。工業(yè)機械手與數(shù)控加工中心，自動搬運小車與自動檢測系統(tǒng)可組成柔性制造系統(tǒng)(FMS)和計算機集成制造系統(tǒng)，實現(xiàn)生產自動化。隨著生產的發(fā)展，功能和性能的不斷改善和提高，機械手的應用領域日益擴大。 目前，國際上的機械手公司主要分為日系和歐系。日系中主要有安川、oTC、松下、FANLUC、不二越、川崎等公司的產品。歐系中主要有德國的KUKA、CLOOS、瑞典的ABB、意大利的C0毗U及奧地利的工GM公司。 我國機械手起步于20世紀70年代初期，經過30多年發(fā)展，大致經歷了3個階段：70年代萌芽期，80年代的開發(fā)期和90年代的應用化期。在我國，機械手市場份額大部分被國外機械手企業(yè)占據(jù)著。在國際強手面前，國內的機械手企業(yè)面臨著相當大的競爭壓力。如今我國正從一個“制造大國”向“制造強國”邁進，中國制造業(yè)面臨著與國際接軌、參與國際分工的巨大挑戰(zhàn)，對我國工業(yè)自動化的提高迫在眉睫，政府務必會加大對機器人的資金投入和政策支持，將會給機械手產業(yè)發(fā)展注入新的動力。 隨著機械手發(fā)展的深度和廣度以及機器人智能水平的提高，機械手已在眾多領域得到了應用。從傳統(tǒng)的汽車制造領域向非制造領域延伸。如采礦機器人、建筑業(yè)機器人以及水電系統(tǒng)用于維護維修的機器人等。在國防軍事、醫(yī)療衛(wèi)生、食品加工、生活服務等領域機械手的應用也越來越多。 在未來幾年，傳感技術，激光技術，工程網(wǎng)絡技術將會被廣泛應用在機械手工作領域，這些技術會使機械手的應用更為高效，高質，運行成本低。據(jù)猜測，今后機器人將在醫(yī)療、保健、生物技術和產業(yè)、教育、救災、海洋開發(fā)、機器維修、交通運輸和農業(yè)水產等領域得到應用。 1.3 主要研究的內容 隨著機械手技術的飛速發(fā)展和機械手應用領域的不斷深化，不僅要求其控制可靠性強、使用靈活性高和操作靈活性好，還要其成本低、可開發(fā)經濟性強。本論文主要研究物料分揀機械手以下幾個方面的內容： (1) 物料分揀機械手執(zhí)行系統(tǒng)的分析與選擇 執(zhí)行系統(tǒng)是由傳動部件與機械構件組成，是機械手賴以實現(xiàn)各種運動的實體。主要包括機身、手臂、末端執(zhí)行器3部分組成，其中每一部分都可以具有若干的自由度。執(zhí)行系統(tǒng)的設計主要是對機械手的手部、手臂和機座進行設計。 (2) 物料分揀機械手驅動系統(tǒng)的分析與選擇 驅動系統(tǒng)是向執(zhí)行系統(tǒng)各部分提供動力的裝置。通過對液壓、氣壓、電氣三種驅動方式的比較，本設計選擇氣壓驅動的方式。內容包括氣動元件的選擇及其工作原理、氣動回路的設計和氣動原理圖的繪制。 (3) 物料分揀機械手控制系統(tǒng)的設計 控制系統(tǒng)是機械手的指揮系統(tǒng)，它控制驅動系統(tǒng)，讓執(zhí)行系統(tǒng)按規(guī)定的要求和時序進行工作。本機械手采用可編程控制器（PLC）對機械手進行控制，主要包括對PLC的型號選擇、傳感器類型進行選擇、I/O口的選擇、對控制系統(tǒng)原理圖、自動程序梯形圖的繪制等內容。 1.4 解決的關鍵問題 1 解決機械手機械結構的設計問題，要求機械手結構簡單、經濟、具有一定的代表性。 2 執(zhí)行部件的運動精度的問題。 3 機械手的控制系統(tǒng)，包括控制系統(tǒng)的電路和控制程序，并解決工件和控制 系統(tǒng)的協(xié)調問題。 4 元件的匹配規(guī)則和知識的獲取及其表達形式。 5 傳感器的類型選擇。  第二章 執(zhí)行系統(tǒng)的分析與選擇 機器手的執(zhí)行結構是機械手賴以實現(xiàn)各種運動的實體。執(zhí)行機構的布局類型直接影響到機械手的工作性能。 2.1 執(zhí)行機構坐標形式的選擇 機械手的基本型式較多，按手臂的坐標型式而言，主要有四種基本型式：直角坐標式、圓柱坐標式、球坐標式和關節(jié)式。下面就各型式機械手作簡單的分析對比： 1、直角坐標式機械手 直角坐標式機械手是適合于工作位置成行排列或與傳送帶配合使用的一種機械手。它的手臂可作伸縮、左右和上下移動，按直角坐標形式X、Y、Z三個方向的直線進行運動。 其工作范圍可以是一個直線運動；兩個直線運動或三個直線運動。如在X、Y、Z三個直線運動方向上個具有A、B、C三個回轉運動，即構成六個自由度。 直角坐標式機械手的優(yōu)點： （1） 產量大，節(jié)拍短，能滿足高速的要求； （2） 容易與生產線上的傳送帶和加工裝配機械相配合； （3） 適于裝箱類、多工序復雜的工作，定位容易變更； （4） 定位精度高，載重發(fā)生變化是不回影響精度； （5） 易于實行數(shù)控，可與開環(huán)或閉環(huán)數(shù)控機械配合使用。 缺點：機械手的作業(yè)范圍較小。 2、圓柱坐標式機械手 圓柱坐標式機械手是應用最多的一種型式，它適用于搬運和測量工件。具有直觀性好，結構簡單，本體占用的空間較小，而動作范圍較大等優(yōu)點。 圓柱坐標式機械手的工作范圍可分為：一個旋轉運動，一個直線運動，加一個不在直線運動所在的平面內的旋轉運動；二個直線運動加一個旋轉運動。 圓柱坐標式機械手有五個基本動作： （1） 手臂水平回轉； （2） 手臂伸縮； （3） 手臂上下； （4） 手臂回轉動作； （5） 手爪夾緊動作。 圓柱式機械手的特點是在垂直導柱上裝有滑動套筒，手臂裝在滑動套筒上，手臂可做上下直線運動和水平面內做圓弧狀的左右擺動。 3、球坐標式機械手 球坐標式機械手是一種自由度較多，用途較廣的機械手。它的工作范圍包括：一個旋轉運動；二個旋轉運動；二個旋轉運動加一個直線運動。 球坐標式機械手可實現(xiàn)八個動作： （1） 手臂上下動作，即俯仰動作； （2） 手臂左右動作，即回轉動作； （3） 手臂前后動作，即伸縮動作； （4） 手腕上下彎曲； （5） 手腕左右擺動； （6） 手腕旋轉運動； （7） 手爪夾緊動作； （8） 機械手的整體移動。 球坐標式機械手的特點是將手臂裝在樞軸上，樞軸又裝在叉形架上，能在垂直面內作圓弧狀上下俯仰動作，它的臂可作伸縮，橫向水平擺動，還可以上下擺動，工作范圍和人的手類似。它的特點能能自動選擇最合理的動作路線。所以工作效率高。另外由于上下擺動，它的相對體積小，動作范圍大。 4、關節(jié)式機械手 關節(jié)式機械手是一種適用于靠近機體操作傳動型式。它像人手一樣有肘關節(jié)，可以實現(xiàn)多個自由度，動作比較靈活，適于在狹窄的空間工作。關節(jié)式機械手，早在四十年代就在原子能工業(yè)中得到應用，隨后在開發(fā)海洋中應用，有一定的發(fā)展前途。 關節(jié)式機械手有大臂和小臂的擺動，以及肘關節(jié)和肩關節(jié)的運動。它還具有上肢結構，可實現(xiàn)近似于人手操作的機能。為具有近似人手的操作機能，需要研制最合適的結構。 機械手型式的選擇首先是從滿足它的運動要求方面進行考慮， 然后從機械手的復雜程度以及經濟情況等方面來考慮。本設計中的機械手主要動作為機械手手臂的左右移動，升降移動和機械手的整體旋轉。 直角坐標式機械手雖然具備手臂的伸縮上下、左右直線運動等動作，但是不具備機械手整體旋轉動作，所以不考慮用直角坐標式機械手。 球坐標式機械手和關節(jié)式機械手對動作要求方面足夠滿足要求，但是它們的結構都比較復雜，有很多動作是不必要的，顯得浪費和增加了制造的成本和難度。 圓柱坐標式機械手能滿足手臂伸縮、手臂上下、手臂回轉動等動作。可以將手臂回轉動作改換成機械手的整體轉動就可以滿足本設計中機械手的動作要求。這樣的修改并沒有改變機械手的總體結構，只是進行了局部變動，使得整個系統(tǒng)經濟、實惠，所以確定用圓柱坐標式機械手。 2.2 執(zhí)行機構的組成 工業(yè)機械手的執(zhí)行系統(tǒng)主要以下機械部分組成： （1） 手部 是機械手直接握持工件或工具的部分。 （2） 臂部 是機械手用來支持腕部與手部實現(xiàn)較大的運動范圍的部件。 （3） 立柱 支承手臂并帶動它升降、擺動和移動的機構。 （4） 機座 是機械手用來支撐臂部，并安裝驅動裝置及其他裝置的部分。 2.3 執(zhí)行機構各部分的分析與選擇 2.3.1 手部的選擇 1 手部形式的確定 手部就是用來握持工件或工具的部分。由于被握持的工件的形狀、尺寸、重量、材質及表面狀態(tài)的不同，手部機構也是多種多樣。常用的手部結構按其握持原理可以分為如下兩類: 1）夾持式 夾持式手部的結構與人手類似，是工業(yè)機械廣泛應用的一種手部形式。它主要由手指、傳動機構、驅動機構組成。其又可分為內撐式、外夾式和內外夾持式，區(qū)別在于夾持工件的部位不同，手爪動作方向相反。 夾持式手部設計時應注意以下事項： （1） 手指應有一定的開閉范圍。 （2） 手指應具有適當?shù)膴A緊力。 （3） 要保證工件在手指內的定位精度。 （4） 結構緊湊，重量輕，效率高。 （5） 通用性和可換性。 2）氣吸式 氣吸式手部又稱為真空吸盤式手部，它是通過吸盤內產生真空或負壓，利用壓差而將工件吸附，是工業(yè)機械手常用的一種吸持工件的裝置。它由吸盤、吸盤架及進排氣系統(tǒng)組成，具有結構簡單、質量輕、不易損傷工件、使用方便可靠等優(yōu)點；但要求工件上與吸盤接觸的部位光滑平整、清潔、被吸附工件材質致密，沒有透氣空隙。主要適應于板材、薄壁零件、陶瓷搪瓷制品、玻璃制品、紙張及塑料等表面光滑工件的抓取。 氣吸式又可分為： 負壓吸盤：真空式、噴氣式、自擠式空氣吸盤。 磁力吸盤：永磁吸盤、電磁吸盤。 真空式吸附型它是利用真空泵抽出吸附頭的空氣而形成真空，故稱真空式。噴氣式吸附的工作原理是當壓縮空氣高速進入噴嘴時，由于管路的開始段截面積是逐漸收縮的，所以氣流速度逐漸增大，在管路的最小截面處，氣流速度達到臨界速度，此時的氣體受壓，密度加大。在排氣管路中因界面逐漸增大，氣流膨脹減壓而使密度大大下降，致使氣流速度繼續(xù)增高，在吸氣口處形成負壓。吸附頭與吸氣口連同，故形成真空，以吸住工件。自擠式空氣吸盤的工作原理是將軟質吸盤按壓在工件的表面，擠出吸盤內的空氣、從而造成真空、吸住工件。磁吸式手是利用工件的導磁性，利用永久磁鐵或電磁鐵通電后產生的磁力來吸附材料工件。磁吸式手部不會破壞被吸附表面質量，但是由于被吸工件存在剩磁，吸附頭上常吸附磁性屑，影響正常工作。 通過以上對手部的分析真空式具有結構簡單、質量輕、不損傷工件、使用方便、不影響機械手的正常工作等優(yōu)點。而且滿足所設計機械手的要求，所以選用真空式吸盤。 真空吸盤機構如圖2.1所示。 圖2.1 吸盤機構圖 2.3.2 手臂結構的選擇 手臂是機械手的主要部分，是支撐手腕、手指和工件并使它們運動的機構。手臂一般有三個運動—伸縮、旋轉和升降。手臂的基本動作是將手部移動到所需的位置和承受抓取工件的最大重量，以及手臂本身的重量。 1 手臂的組成： (1) 動作元件，如油缸、汽缸、齒條、凸輪等是驅動手臂運動的部件。 (2) 導向裝置，是保證手臂的正確方向及承受由工件的重量所產生的彎曲和扭轉力矩。 (3) 手臂，起著連接和承受外力的作用。 2手臂設計的要求： (1) 手臂承載能力大、剛性好、自重輕。 (2) 手臂的運動速度要適當，慣性要小。 (3) 手臂的動作要靈活。 (4) 位置精度要高。 (5) 通用性要強。 3手臂的結構 手臂的伸縮和升降運動一般采用直線油（氣）缸驅動。 手臂作直線運動的結構，基本上是由驅動機構和導向裝置所組成。驅動機構一般用油缸、油馬達加齒輪、齒條來實現(xiàn)直線運動。往復直線油（氣）缸可以分為以下幾種。 雙作用單活塞桿油缸:液壓機械手中實現(xiàn)手臂的往復運動用得最多的是雙作用單活塞桿油缸?；钊谟蛪合伦麟p向運動。機構上可以是油缸體固定、活塞桿運動；也可以是活塞桿固定，而缸體運動。 雙作用雙活塞桿油缸：當需要很大的行程時，將油缸做的很長、體積很大，則加工上有困難。如做成伸縮式雙活塞桿油缸，既能滿足行程要求，油缸的體積又小。其缺點是一次行程有兩種速度。 絲桿螺母機構：該機構傳動的特點是易于自鎖，但傳動效率低。如采用滾珠絲杠，效率可以提高，但因其較長，制造比較困難。 本機械手的手臂有往復的直線運動，不需要很大的行程，考慮到結構的簡單性和設計的經濟性，選用缸體固定活塞桿運動的雙作用單活塞桿氣缸。 4導向裝置 機械手手臂在進行伸縮運動時，為防止手臂沿伸縮方向向中軸線轉動、加大承載能力，以及提高運動精度，必須設有導向裝置。手臂的導向裝置系根據(jù)安裝形式、結構及負荷等條件來確定。常用的有單導向桿和雙導向桿，本設計中，伸縮運動中選用雙導向桿。 2.3.3 機座結構的選擇 機座是機械手的基礎部分，機械手執(zhí)行機構的各部件和驅動系統(tǒng)均安裝于機座上，是支撐起機械手全部重量的構件。對其結構的要求是剛性好、占地面積小、操作維修方便和造型美觀。 機座結構從形式上分為落地式和懸浮式，或分為固定式、可移動式和行走式。無論哪一種形式，機械手工作時機座一定予以固定?？梢苿邮降臋C座在停置時能夠剎車定位，以保證機械手工作時的位置精度。根據(jù)本機械手的設計要求選用落地固定式機座。 機座的結構與機械手的總體布置有關，對專用機械手而言，傳動和控制部分通常是單獨布置，故機座比較簡單或不設機座。對通用機械手而言，傳動部分布置在機架內部或后下方，控制部分則布置在機座的后上方或單獨布置一個控制箱。 物料分揀機械手手臂需要一個旋轉模塊，擺動氣缸就要固定在機座上。如果水平缸、垂直缸和手部機構直接安裝到擺動氣缸的輸出軸上，機構雖然簡單，但擺動氣缸的軸向受力增大，對氣缸的自身要求較高，并易造成擺動氣缸的損壞。同時，機械手本身重心偏離立柱軸線以及各氣缸運動產生的沖擊都形成作用在擺動氣缸轉動軸上的傾覆力矩，所以采用一個連接組件，將機械手立柱以上的重量和傾覆力矩由機架來承擔。連接組件主要由四部分組成：雙向推力球軸承、底座、轉臺和扣罩。如圖2.2所示。選擇雙向推力球軸承而不是單向的，因為機座與轉臺在軸向上無法直接連接。采用雙向推力球軸承就可以方便的將軸承內環(huán)與轉臺連接，外環(huán)用罩扣固定在底座上。另外，推力球軸承應選擇公稱尺寸較大一些的，這樣可以更好的承受傾覆力矩。 1、底座 2、擺動氣缸 3、雙向推力球軸承 4、扣罩 5、轉臺 圖2.2機座結構圖 2.4 執(zhí)行機構的工作原理 物料分揀機械手的結構主要由機座、立柱、水平手臂、垂直手臂、電磁閥和吸盤等組成。其中機座采用擺動氣缸進行驅動，手臂及吸盤采用單活塞桿雙作用氣缸驅動。機械手的動作基本有伸縮、升降、左右旋轉、吸物和放物等動作。其結構原理如圖2.2所示。其動作順序為：初始位置 → A右旋 → B前伸 → C氣缸下降 → D吸物料→ C上升 →B收縮→A左旋 →C氣缸下降→ D放物料 →C上升→回到初始位置。機械手的動作在整個過程中都是連續(xù)可循環(huán)的。 2.5 執(zhí)行機構簡圖 根據(jù)前面機械手各部分的設計，可做出機械手大體結構簡圖，如圖2.3所示，大圖見CAD圖。 1右旋限位開關 2 左旋限位開關 3 回縮限位開關 4 前伸限位開關 5 上升限位開關 6 下降限位開關 A 擺動氣缸 B前伸/回縮氣缸 C上升/下降氣缸 D 真空吸盤 圖2.3 執(zhí)行機構簡圖  第三章 驅動系統(tǒng)的分析與選擇 機械手的驅動系統(tǒng)是驅動執(zhí)行機構運動的傳動裝置。機械手的驅動系統(tǒng)根據(jù)動力源的不同，分為液壓、氣壓、電氣、機械、氣液聯(lián)合和電液聯(lián)合等多種方式。目前采用的主要有液壓、氣壓、電氣這三種驅動方式。 3.1 驅動系統(tǒng)的分析與選擇 液壓驅動，功率重量比大，可實現(xiàn)頻繁平穩(wěn)的變速和換向，容易實現(xiàn)過載保護，可自行潤滑，使用壽命長。但也存在其油液容易泄露污染環(huán)境，需要配備油源，成本較高，工作噪聲較大。 電氣驅動，控制精度高，驅動力較大，響應快，信號檢測、傳遞、處理方便。但是由于這種驅動方式價格昂貴，限制了在一些場合的應用。因此，人們尋求其他一些經濟適用的驅動方式。 氣壓驅動具有價格低廉、結構簡單、功率體積比高、無污染及抗干擾性強、在工業(yè)機械手中應用較多。另一方面，氣動技術作為“廉價的自動化技術”，由于其元器件性能的不斷提高，生產成本的不斷降低，被廣泛應用于現(xiàn)代化工業(yè)生產領域。在現(xiàn)代化的成套設備與自動化生產線上，幾乎都配有氣動系統(tǒng)。據(jù)統(tǒng)計：在工業(yè)發(fā)達國家中，全部自動化流程中約有30﹪裝有氣動系統(tǒng)，有90﹪的包裝機械，70﹪的鑄造、焊接設備，50﹪的自動操機、40﹪的鍛造設備和洗衣設備、30﹪的采煤機械，20﹪的紡織機械、制鞋業(yè)、木材加工、食品機械，43﹪的工業(yè)機器人裝有氣壓系統(tǒng)。日、美、德等國的氣動元件銷售平均每年增長超過10-15﹪。許多工業(yè)發(fā)達國家的氣動元件產值已接近液壓元件的產值，且仍以較大速度發(fā)展，氣動機械手技術已經成為能夠滿足許多行業(yè)生產實踐要求的一種重要使用工具。 表3.1給出了各種控制方式的比較： 表3.1 各種控制方式的比較 通過以上三種驅動方式的比較選用氣動驅動的方式，不僅能夠滿足了本設計的要求，而且節(jié)約了成本。 3.2 機械手驅動系統(tǒng)的控制設計 根據(jù)物料分揀機械手的要求，在驅動系統(tǒng)中氣缸的運動方式主要有兩種：（1）直線運動（缸體固定，活塞桿運動）；（2）擺動（缸體固定）。其氣動驅動系統(tǒng)原理圖如圖3.1所示。 圖3.1 驅動系統(tǒng)原理圖 氣動系統(tǒng)包括三個三位四通電磁換向閥、兩個二位二通電磁閥、三個氣缸、一個吸盤、四個調速閥、六個單向調速閥、消聲器（若干）等。圖中的調速閥控制氣缸上升和下降、伸長和縮短、擺動過程中的速度，防止速度過大對物料及機械手臂的沖擊；三位四通電磁換向閥是改變氣缸的運動方向；真空發(fā)生器的工作原理利用氣體的噴射產生真空吸附物料，其主要功能是實現(xiàn)對物料的吸取和釋放，真空發(fā)生器的動作是由二位二通電磁閥控制的。 3.3 氣動元件選取及工作原理 氣壓驅動是利用壓縮氣體的壓力能來實現(xiàn)能量傳遞的一種方式，其介質主要是空氣，也包括燃氣和蒸汽。典型的氣壓傳動系統(tǒng)由以下四部分組成： 3.3.1 氣源裝置 氣源裝置是獲得具有一定能量的壓縮空氣的裝置，其主體部分是空氣壓縮機，有的還配有氣源凈化處理裝置、氣罐等附屬設備。它將原動機提供的機械能轉變?yōu)闅怏w的壓力能。氣壓傳動對氣源的要求： (1) 要求壓縮空氣具有一定的壓力和足夠的流量。 (2) 要求壓縮空氣有一定的清潔度和干燥度。 下面對于主要的氣源裝置元件進行如下介紹： 1、空氣壓縮機 空氣壓縮機是產生壓縮空氣的氣壓發(fā)生裝置，是氣源主要的設備。按結構和工作原理可分為速度型和容積型兩大類。容積型壓縮機是利用特殊形狀的轉子或活塞壓縮吸入封閉容積室空氣的體積來增加空氣的壓力。容積型結構簡單、使用方便。本設計選用容積型壓縮機。 2、儲氣罐 儲氣罐可以調節(jié)氣流，減少輸出氣流的脈動，使輸出氣流連續(xù)和氣壓穩(wěn)定，也可以作為應急氣源使用，還可以進一步分離油水雜質。儲氣罐上裝有安全閥，使其極限壓力比正常工作壓力高10%，并裝有指示罐內壓力的壓力表和排污閥等。罐的型式可分為立式和臥式兩種。本設計選用立式儲氣罐，因為它的進氣口在下，出氣口在上，以利用進一步分離空氣中的油、水。 3.3.2 執(zhí)行元件 執(zhí)行元件是以壓縮空氣為工作介質產生機械運動，并將氣體的壓力能轉變?yōu)闄C械能的能量轉換裝置，如氣缸輸出直線往復式機械能，擺動氣缸輸出回轉擺動式機械能。 1、氣缸輸出直線往復式 氣缸是氣動執(zhí)行元件之一。目前最常選用的是標準氣缸，其結構和參數(shù)都已系列化、標準化、通用化。水平伸縮氣缸選用單活塞桿雙作用氣缸。單活塞桿雙作用氣缸一般由缸筒、前后缸蓋、活塞、活塞桿、密封件和緊固件等組成。其工作原理：對于前伸/回縮氣缸，當左側無桿腔進氣，右側有桿腔排氣時活塞桿前伸，反之，活塞桿回縮；對于上升/下降氣缸，當上側無桿腔進氣，下側有桿腔排氣時，活塞桿下降，反之活塞桿上升。 2、擺動氣缸輸出回轉擺動式 擺動氣缸分為單葉片式和雙葉片式。 單葉片式擺動氣缸：壓縮空氣由進氣口輸入，作用在葉片上，帶動軸回轉產生轉矩，另一腔的空氣從排氣口排出。 雙葉片式擺動氣缸：從進氣口進入的壓縮空氣作用在一個葉片上，同時通過軸上的氣路也作用在另一葉片上帶動軸回轉。這樣雙葉片式產生的轉矩將是單葉片式的2倍。 本設計采用雙葉片式擺動氣缸，這樣就能產生更大的轉矩，以利于機械手的轉動。 3.3.3 控制元件 控制元件是用來調節(jié)壓縮空氣的壓力、流量和控制其流動方向，使氣動執(zhí)行機構獲得必要的力、動作速度和改變運動方向，并按規(guī)定的程序工作。氣動控制元件按功能分為壓力控制閥、流量控制閥和方向控制閥。 1、壓力控制閥 調節(jié)和控制壓力大小的氣動元件稱為壓力控制閥。它包括調壓閥、溢流閥、順序閥及多功能組合閥。 調壓閥是出口側壓力可調，并能保持出口側壓力穩(wěn)定的壓力控制閥。 溢流閥是在回路中的壓力達到閥的規(guī)定值時，使部分氣體從排氣側排出，以保持回路內的壓力在規(guī)定值的閥。 調速閥是根據(jù)“流量負反饋”原理設計而成的單路流量閥。調速閥一般用于執(zhí)行元件負載變化大而運動速度要求穩(wěn)定的系統(tǒng)中。調速閥根據(jù)“串聯(lián)減壓式”和“并聯(lián)溢流式”，又分為調速閥和溢流節(jié)流閥兩種主要類型。本設計選用串聯(lián)減壓式調速閥。 2、方向控制閥 方向控制閥是改變壓縮空氣流動方向和氣流通斷狀態(tài)，使氣動執(zhí)行元件的動作或狀態(tài)發(fā)生變換的控制閥，其通常可分為單向型控制閥和換向型控制閥兩類。 (1) 單向型控制閥 單向閥是指氣流只能向一個方向流動而不能反向流動通過的閥，是最簡單的單向型方向閥。在氣動系統(tǒng)中，單向閥除單獨使用之外，經常與流量閥、換向閥和壓力閥組合成只能單向控制的閥。單向調速閥就是單向閥與節(jié)流閥并聯(lián)而成。單向調速閥是把節(jié)流閥芯分成了上閥芯和下閥芯兩部分。當流體正向流動時，其節(jié)流過程與調速閥是一樣的，節(jié)流縫隙的大小可通過手柄進行調節(jié)；當流體反向流動時，靠流體的壓力把閥芯壓下，下閥芯起單向閥作用，單向閥打開，可實現(xiàn)流體反向自由流動。當正向流動時，經過節(jié)流閥節(jié)流。當反向流動時，單向閥打開，不節(jié)流。 (2) 換向型控制閥 換向型方向控制閥按控制方式分類，分為氣壓控制、電磁控制、人力控制。換向閥是利用閥芯和閥體間相對位置的不同來變換不同管路間的通斷關系，實現(xiàn)接通、切斷，或改變流體方向的閥。它的用途很廣，種類也很多。 換向閥的性能的主要要求是：（1）油液流經換向閥時的壓力損失?。唬?）互不相通的油口間的泄漏?。唬?）換向可靠、迅速且平穩(wěn)無沖擊。 按換向閥的操縱方式有：手動式、機動式、電磁式、液動式、電液動式、氣動式。 按工作位置數(shù)和控制的通道數(shù)有：二位二通閥、二位三通閥、二位四通閥、二位五通閥、三位四通閥、三位五通閥等。 本設計選用三位四通電磁換向閥理由如下： (1) 電磁換向閥是利用電磁鐵吸力推動閥芯來改變閥的工作位置。由于它操作輕便，易于實現(xiàn)自動化，因此應用廣泛。 (2) 當三位四通電磁換向閥兩端電磁鐵都斷電時，閥芯處于中位，各口互不相通。 (3) 使用三位四通電磁換向閥能夠快速實現(xiàn)氣缸的正反向運動。 3.3.4 輔助元件 輔助元件是保證壓縮空氣的凈化、元件的潤滑、元件間的連接及消聲等所必須的?？煞譃闅庠磧艋b置和其他輔助元件兩大類。 1、氣源凈化裝置 過濾器、調壓閥和油霧器等組合在一起稱為空氣處理單元，又稱為氣動三聯(lián)件。壓縮的空氣中含有各種雜質，這些雜質的存在會降低氣動元件的耐用度和性能，造成誤動作和事故，必須清除?？諝馓幚韱卧褪怯脕砬宄龎嚎s空氣的雜質，提高空氣質量的元件。 2、消聲器 消聲器是降低排氣噪聲的裝置。壓縮空氣完成驅動工作后，由換向閥的排氣口排入大氣。此時的壓縮空氣是以接近音速的狀態(tài)進入大氣，由于壓力的驟然變化，使空氣急速膨脹從而發(fā)出噪音，其音量一般為80dB～100dB，為了改善勞動條件，應使用消聲器。常用的消聲器有三種類型吸收型、膨脹型和吸收膨脹型。吸收型消聲器是依靠吸聲材料來消聲的。膨脹型消聲器的結構比較簡單，相當于一段比排氣口徑大的管件，當氣流通過時，讓氣流在其內部擴散、膨脹、碰壁撞擊、反射、相互干涉而消聲。吸收膨脹型消聲器是上述兩種的結合。氣流由斜孔引入，氣流束相互撞擊、干涉、進一步減速，再通過設在消聲器內表面的吸聲材料消聲，最后排向大氣。本設計選用膨脹型消聲器。 3.3.5 真空發(fā)生器 真空發(fā)生器的作用主要是使吸盤的橡膠皮碗形成真空而將工件吸附。真空發(fā)生器的工作原理是利用噴管高速噴射壓縮空氣，在噴管出口形成射流，產生卷吸流動。在卷吸流動作用下，使得噴管出口周圍的空氣不斷地被抽吸走，使吸附腔內的壓力降至大氣壓以下，形成一定真空度。 3.3.6 吸盤 吸盤是直接吸吊物體的元件，一般用橡膠做成。真空吸盤之所以能吸附在工件上的原因是由于環(huán)境壓力（大氣壓力）大于吸盤與工件之間的壓力。將吸盤與真空發(fā)生裝置連接，吸盤內部空間的空氣被抽去，當吸盤接觸到工件時，大氣和吸盤之間形成了密封，就會吸住物料，吸氣大小與大氣壓和吸盤內部空間的壓力差成正比。 3.4 氣動回路的工作原理 物料分揀機械手的工作循環(huán)是：擺動氣缸的右旋→水平手臂的伸出→垂直手臂的下降→吸物→垂直手臂的上升→水平手臂的縮回→擺動氣缸的左旋→垂直手臂的下降→放物→垂直手臂的上升→回到初始位置。系統(tǒng)中選用電磁換向閥，限位開關，實現(xiàn)氣缸的往復運動。二位二通電磁閥實現(xiàn)吸盤的吸物和放物。實現(xiàn)工作循環(huán)的工作原理如下： (1) 擺動氣缸的右旋 按下啟動按鈕，右旋按鈕接通，使三位四通電磁換向閥12的5YA得電，閥12的閥芯右移，擺動氣缸會執(zhí)行右旋的命令。這時的氣路是： 進氣路線：2空氣處理單元→儲氣罐3→三位四通電磁換向閥12左端→單向調速閥19→擺動氣缸C的D口。 排氣路線：擺動氣缸C的E口→單向調速閥20→三位四通電磁換向閥12排氣口→調速閥8→消聲器9→排出。 (2) 水平氣缸的伸出 當擺動氣缸C右旋到指定位置時（90度），就會碰到右旋限位開關，使二位五通電磁換向閥12的5YA斷電，擺動氣缸旋轉運動會停止，經時間繼電器延時，使三位四通電磁換向閥10的1YA得電，閥10的閥芯右移，執(zhí)行手臂前伸動作。這時的氣路是: 進氣路線：2空氣處理單元→儲氣罐3→三位四通電磁換向閥10左端→單向調速閥15→氣缸A的無桿腔。 排氣路線：氣缸A的有桿腔→單向調速閥16→三位四通電磁換向閥10的排氣口→調速閥4→消聲器5→排出。 (3) 垂直手臂的下降 當水平伸縮氣缸A伸出到指定位置時，就會碰到前限開關，使三位四通電磁換向閥10的1YA斷電，手臂伸出動作會停止。經時間繼電器延時，小臂下降按鈕接通，使三位四通電磁換向閥11的3YA得電，閥11的閥芯右移，執(zhí)行小臂的下降動作。這時的氣路是： 進氣路線：2空氣處理單元→儲氣罐3→三位四通電磁換向閥11左端→單向調速閥17→氣缸B的無桿腔。 排氣路線：氣缸B的有桿腔→單向調速閥18→三位四通電磁換向閥11的排氣口→調速閥6→消聲器7→排出。 (4) 吸物 小臂氣缸下降到指定位置時，撞到下限位開關，使三位四通電磁換向閥11的3YA斷電，小臂下降動作停止。經時間繼電器延時，二位二通電磁閥13的7YA得電，真空發(fā)生器22開始動作，經真空開關24檢測真空度，并發(fā)出訊號給控制器，真空吸盤26將物料吸起。這時的氣路是： 進氣路線：2空氣處理單元→儲氣罐3→二位二通電磁閥13→真空發(fā)生器22→過濾器25→吸盤26。 排氣路線：2空氣處理單元→儲氣罐3→二位二通電磁閥13 →真空發(fā)生器22→消聲器21。 (5)垂直手臂的上升 經傳感器檢測到物料已經被吸起時，發(fā)出訊號，使三位四通電磁閥11的電磁鐵4YA得電，閥11的閥芯左移，執(zhí)行小臂的上升動作。這時的氣路是： 進氣路線：2空氣處理單元→儲氣罐3→三位四通電磁換向閥11右端→單向調速閥18→氣缸B的有桿腔。 排氣路線：氣缸B的無桿腔→單向調速閥17→三位四通電磁換向閥11的排氣口→調速閥6→消聲器7→排出。 (6)水平手臂的回縮 小臂氣缸上升到指定位置時，撞到上限位開關，使三位四通電磁閥11的電磁鐵4YA斷電，小臂上升動作停止。經時間繼電器延時，使三位四通電磁閥10的電磁鐵2YA得電，閥10的閥芯左移，執(zhí)行水平手臂的回縮動作。這時的氣路是： 進氣路線：2空氣處理單元→儲氣罐3→三位四通電磁換向閥10右端→單向調速閥16→氣缸A的有桿腔。 排氣路線：氣缸A的無桿腔→單向調速閥15→三位四通電磁換向閥10的排氣口→調速閥4→消聲器5→排出。 (7)擺動氣缸的左旋 水平手臂氣缸回縮到指定位置時，撞到后限位開關，使三位四通電磁閥10的電磁鐵4YA斷電，水平手臂的回縮動作停止。經時間繼電器延時，使三位四通電磁閥12的電磁鐵6YA得電，閥12的閥芯左移，執(zhí)行擺動氣缸的向左旋轉動作。這時的氣路是： 進氣路線：2空氣處理單元→儲氣罐3→三位四通電磁換向閥12右端→單向調速閥20→擺動氣缸C的E口。 排氣路線：擺動氣缸C的D口→單向調速閥19→三位四通電磁換向閥12排氣口→調速閥8→消聲器9→排出。 (8)垂直手臂的下降 擺動氣缸左旋到指定位置（90度），撞到左轉限位開關，使三位四通電磁閥12的電磁鐵6YA斷電，擺動氣缸的左旋運動停止。經時間繼電器延時，使三位四通電磁閥11的電磁鐵3YA得電，閥11的閥芯右移，執(zhí)行小臂的下降運動。這時的氣路是： 進氣路線：2空氣處理單元→儲氣罐3→三位四通電磁換向閥11左端→單向調速閥17→氣缸B的無桿腔。 排氣路線：氣缸B的有桿腔→單向調速閥18→三位四通電磁換向閥11的排氣口→調速閥6→消聲器7→排出。 (9)放物 小臂氣缸下降到指定位置時，撞到下限位開關，使三位四通電磁閥11的電磁鐵3YA斷電，垂直手臂的下降運動停止。經時間繼電器延時，使二位二通電磁13斷電，二位二通電磁閥14通電，真空發(fā)生器停止運動，真空消失，壓縮空氣進入吸盤26，將物料與吸盤吹開，這時氣路為： 進氣路線：2空氣處理單元→儲氣罐3→二位二通電磁閥14→調速閥23→過濾器25→吸盤26。 排氣路線：2空氣處理單元→儲氣罐3→二位二通電磁閥14→調速閥23→過濾器25→吸盤26。 (10) 垂直手臂的上升 經傳感器檢測到物料已脫離吸盤，發(fā)出訊號，經時間繼電器延時，使三位四通電磁閥11的4YA得電，閥11的右位接入工作，執(zhí)行垂直手臂的上升動作。這時的氣路是： 進氣路線：2空氣處理單元→儲氣罐3→三位四通電磁換向閥11右端→單向調速閥18→氣缸B的有桿腔。 排氣路線：氣缸B的無桿腔→單向調速閥17→三位四通電磁換向閥11的排氣口→調速閥6→消聲器7→排出。 (11)回到初始位置 垂直手臂上升到指定位置，撞到上限位開關，接通復位按鈕，回到初始位置，重復以上動作。 第四章 控制系統(tǒng)的分析設計 機械手控制系統(tǒng)的設計是整個機械手設計的關鍵和核心。它在結構和功能上的合理劃分與巧妙實現(xiàn)，對提高機械手整體可靠性、實用性具有重要的意義，同時也是降低制造成本、縮短開發(fā)周期的有效途徑。為此本章在分析了當前機械手廣泛采用的控制器結構及PLC的發(fā)展之后，提出了采用PLC的控制方法。 4.1 控制系統(tǒng)的組成結構 機械手的控制系統(tǒng)一般是使機械手運動協(xié)調為目的，包括高性能的計算機及相應的系統(tǒng)硬件和控制軟件。 機械手的控制部分可分為4個部分：機械手及其感知器、環(huán)境、任務、控制器。機械手是由各種機構組成的裝置，它通過感知器的內部傳感器實現(xiàn)本體和環(huán)境狀態(tài)的檢測和信息交互；環(huán)境即指機械手所處的周圍環(huán)境；任務是指機械手要完成的操作，它需要適當?shù)某绦蛘Z言描述，并把它們存入控制機中，隨著系統(tǒng)的不同，任務的輸入可能是程序方式，或文字、圖形或聲音方式；控制器包括軟件和硬件兩大部分，相當于機械手的大腦，它以計算機或專用控制器運行程序的方式來完成給定的任務。 控制系統(tǒng)的硬件一般包括3個部分： (1) 感知部分 用來收集機械手的內部和外部的信息，如位置、速度、加速度傳感器可接受機械手的本體狀態(tài)，而視覺、觸覺、力覺等傳感器可感受機械手的工作環(huán)境的外部狀態(tài)。 (2) 控制裝置 用來處理各種信息，完成控制過程，產生必要的控制指令，它包括計算機相應的接口等。 (3) 驅動部分 為了使機械手完成操作及移動功能，機械手各關節(jié)可選用氣動、液動、電氣等方式驅動。 4.2 控制系統(tǒng)的性能要求 對于一般的控制系統(tǒng)有以下控制的要求： (1) 穩(wěn)定性 穩(wěn)定性是系統(tǒng)受到短暫的擾動后其運動性能從偏離平衡點恢復到原平衡點狀態(tài)的能力。穩(wěn)定性是一般自動控制必須滿足的基本要求，對穩(wěn)定性的研究是自動化控制系統(tǒng)中的一個基本問題。 (2) 過渡過程性能 描述過渡過程性能可以用平衡性和快速性加以衡量，平衡性指系統(tǒng)由初始狀態(tài)運動到新的平衡狀態(tài)時具有較小的超調和震蕩性；系統(tǒng)由初始狀態(tài)運動到新的平衡狀態(tài)經歷的時間表示系統(tǒng)過渡過程的快速程度。 (3) 穩(wěn)態(tài)誤差 穩(wěn)態(tài)誤差是在過渡過程結束后，期望的穩(wěn)態(tài)輸出量與實際的穩(wěn)態(tài)輸出量之差。控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差越小，說明控制精度越高。因此，穩(wěn)態(tài)誤差是衡量控制系統(tǒng)性能好壞的一項重要指標，控制系統(tǒng)設計的任務之一就是在兼顧其他性能指標的情況下，使穩(wěn)態(tài)誤差盡可能小或者小于某個允許的限制值。 4.3 傳感器的選擇 傳感器是將被檢測對象的各種物理變化量變?yōu)殡娦盘柕囊环N變換器。它主要被用于檢測系統(tǒng)本身與作業(yè)對象、作業(yè)環(huán)境的狀態(tài)，為有效地控制系統(tǒng)的動作提供信息。 根據(jù)本設計的要求需要對位置檢測裝置、滑覺傳感器、視覺傳感器進行選用。位置檢測裝置檢測機械手動作是否到位，滑覺傳感器是判別物料是否被穩(wěn)定吸住，視覺傳感器是為了完成機械手對物料的識別。 4.3.1 位置檢測裝置 在本設計中，當機械手執(zhí)行左旋/右旋，前伸/回縮，上升/下降等動作時，應有相應的位置檢測裝置檢測動作是否到位，常用的位置檢測裝置是行程開關。行程開關又稱限位開關，是一種根據(jù)運動部件的行程位置而切換電路的電器，用于控制機械設備的行程及限位保護。在實際生產中，將行程開關安裝在預先安排的位置，當裝于生產機械運動部件上的模塊撞擊行程開關時，行程開關的觸點動作，實現(xiàn)電路的切換。行程開關按其結構可分為直動式、滾輪式、微動式和組合式。 本設計中采用直線接觸式行程開關檢測機械手動作是否到位，當運動到指定位置時，碰到行程開關，終結上一個動作，準備執(zhí)行下一個動作。 4.3.2 滑覺傳感器 機械手吸取物體時按吸力的大小可分為硬吸取和軟吸取。硬吸取是吸盤用最大的吸力吸取物體，以保證可靠性；軟吸取方式是吸盤使吸力保持在能穩(wěn)固吸取物體的最小值，以避免損傷物件。軟吸取時吸力不夠時被吸物體會產生滑動，滑覺傳感器就是為了檢測滑動而設計的，可以檢測垂直于吸物方向物體的位移、由重力引起的變形，以達到修正吸力，防止吸取物的滑動?；瑒觽鞲衅髦饕糜跈z測物體接觸面直接的相對運動的大小和方向，判斷是否吸住物體以及應用多大的吸力等。 4.3.3 視覺傳感器 機械手視覺的作用就是最大程度模仿人的眼睛，能夠對不同的物體進行識別，本機械手采用顏色傳感器，根據(jù)不同物料有不同的顏色，可以針對一種顏色的物料進行揀出。 目前，用于顏色識別的傳感器有兩種基本類型：（1）色標傳感器，它使用一個白熾燈光源或單色LED光源；（2）RGB（紅綠藍）顏色傳感器，它檢測物體的對三基色的反射比率，從而鑒別物體顏色。這類裝置許多是溫反射型、光束型、光纖型的，封裝在各種金屬和聚碳酸脂外殼中。典型的輸出有：NPN和PNP、繼電器和模擬輸出。 1、顏色傳感器的類型比較: (1)光到光電流轉換器 光到光電流轉換器由光電二極管或具有色彩濾波器的光電二極管組成，將光轉換成光電流。可以使用外部電路，將光電流轉換成一定比例的電壓輸出，然后可以通過模擬數(shù)字轉換器將電壓轉換成數(shù)字格式，輸送到微控制器中。 優(yōu)點： 設計靈活。可以針對各個應用訂制放大器的增益和帶寬及模擬數(shù)字轉換器的速度和分辨率。 缺點： 增加了組裝成本，提高了設計復雜程度，光到光電流轉換器適合要求響應時間短、定制增益和速度調節(jié)及在光線變化條件下工作的應用。 (2)光到模擬電壓轉換器 光到模擬電壓轉換器由搭配色彩濾波器的光電二極管陣列組成，并整合一個跨阻抗放大器。要求使用外部電路，將模擬電壓轉換成數(shù)字輸出，然后才能輸送到數(shù)字信號處理器。 優(yōu)點：簡化外設電路設計，改善空間利用效率，降低組裝成本。 缺點：響應時間預先由內置電流到電壓轉換器確定，如跨阻抗放大器，要求額外的模擬數(shù)字轉換器，將電壓輸出轉換成數(shù)字格式，光到模擬電壓轉換器適合要求設計周期較短、產品開發(fā)周期更快、光線條件和空間利用率設計精良的應用。 (3)光到數(shù)字電壓轉換器 光到數(shù)字電壓轉換器由